1 Образование облаков и их классификация

1.1 Образование облаков

Облака образуются в результате перехода воды из газообраз­ного состояния (водяной пар) в жидкое (капли) и твердое (крис­таллы). При этих переходах, называемых конденсацией и сублимацией и происходящих вследствие конвекции или упоря­доченного подъема влажного воздуха, выделяется большое ко­личество тепла, которое оказывает значительное влияние на образование облаков, термическую и динамическую устойчи­вость атмосферы, режим движения воздуха, формирование фронтальных разделов и развитие циклонов.

Основными объектами в атмосфере, с которыми связано об­разование облаков и осадков, являются циклоны и ложбины. Они, в свою очередь, образуются под влиянием переноса (адвек-

ции) холодного воздуха на более теплую поверхность и взаимо­действия этого воздуха с теплым воздухом. Свыше 70—90 % всех циклонов в северном полушарии зимой образуется вблизи восточных побережий Канады и Гренландии и дальневосточно­го побережья России, а также в северной части Средиземного моря и в западных частях Черного и Каспийского морей.

После зарождения циклоны перемещаются с восточной со­ставляющей над океаном и затем выходят на территорию Евро­пы и Западной Сибири.

В зимний период вследствие радиационного выхола­живания материки оказываются холоднее океанов и в этом слу­чае приход воздушной массы с океана будет означать перенос (адвекцию) тепла на материк, что способствует образованию ан­тициклонов.

Весной и летом материки быстро прогреваются и оказывают­ся существенно теплее океанов. В этом случае приход воздушной массы с океана означает адвекцию холода на теплый материк, что способствует образованию циклонов.

Согласно данным исследований за последние десятилетия, в умеренных широтах над материками в весенне-летний период преобладают циклоны (их образуется в 3,5 раза больше, чем ан­тициклонов) и значительная облачность, в осенне-зимний пери­од — антициклоны (их образуется в 6 раз больше, чем циклонов) и малооблачная погода.

По условиям образования различают облака фронтальные и внутримассовые. Происхождение фронтальных облаков объяс­няется процессами, происходящими на границах раздела меж­ду различными воздушными массами, а внутримассовых облаков — процессами внутри однородных воздушных масс: термической и динамической конвекцией, турбулентным пере­мешиванием и волновыми движениями (или адвекцией облач­ных систем).

10

Фронтальные облака (облака восходящего скольжения). Поскольку теплофизические и радиационные свойства земной поверхности очень неоднородны, то возникает горизонтальная разность температур воздуха и адвекция холода. При достаточно больших значениях этой разности зарождается циклон.

Первоначально зона контраста температур делит циклон на две равные части: западную холодную и восточную теплую. В циклоне под влиянием сходимости (конвергенции) воздушных течений возникают восходящие движения, при которых темпе­ратура воздуха понижается, а его относительная влажность рас­тет и достигает 100 % .

Этот динамический фактор — вертикальные движения си­ноптического масштаба — является основной причиной облач­ной погоды в циклонах.

Однако наиболее благоприятные условия для образования об­лаков создаются в циклоне внутри и вблизи зоны контраста тем­ператур. Поскольку здесь наиболее значительна (по сравнению с остальной частью циклона) адвекция холода, то именно здесь (вблизи зоны контраста температур) больше, чем в других час­тях, понижается давление, т. е. формируются ложбины и возни­кают дополнительные вертикальные движения.

Немаловажную роль в процессе облакообразования играет тепло, выделяющееся при конденсации водяного пара. Темпера­тура воздуха в облаке при влажноустойчивои стратификации со временем понижается меньше, чем в холодной массе под обла­ком. По этой причине вблизи наклонной нижней границы облач­ной массы формируется слой с инверсионным или с уменьшенным вертикальным градиентом температуры. Этот слой толщиной в несколько сотен метров носит название фрон­тальной зоны, или фронтальной поверхности. Горизонтальная протяженность этой зоны, как и расположенной над ней системы облаков, составляет сотни километров. Линию пересечения

фронтальной поверхности (тангенс угла наклона которой поряд­ка 10 ²) с земной поверхностью называют фронтом.

Система сформировавшихся над фронтальной поверхностью (зоной) облаков носит название фронтальных облаков, или обла­ков восходящего скольжения. Их вертикальная и горизонталь­ная протяженность, структура определяются углом наклона фронтальной поверхности и скоростью ее смещения.

Если во фронтальной зоне теплый воздух медленно натекает на клин более холодного воздуха (теплый фронт), то происхо­дит адиабатическое охлаждение мощных слоев теплого воздуха и конденсация содержащегося в нем водяного пара. В результате образуется достаточно однородная система слоистообразных (пе­ристо-слоистые — высокослоистые — слоисто-дождевые) обла­ков, располагающаяся в теплом воздухе и простирающаяся на многие сотни (иногда и на тысячи) километров.

Наибольшую вертикальную протяженность облака имеют вблизи линии фронта и там, где их основания находятся на высо­те нескольких сотен метров от поверхности земли. Эта часть об­лачной системы, занимающая зону шириной 300—400 км перед теплым фронтом, состоит из слоисто-дождевых облаков. По мере удаления от линии фронта в сторону холодного воздуха, прибли­зительно на 500—600 км, слоисто-дождевые облака переходят в высокослоистые (см. рис. 3.1).

При дальнейшем удалении от линии фронта облачная систе­ма трансформируется в облака верхнего яруса. Располагаются они на некоторой высоте над фронтальной поверхностью. Их об­разование связано с тем, что при восходящем движении теплого воздуха по фронтальной поверхности более высокие слои возду­ха вытесняются еще выше.

Иная система облачности наблюдается на холодном фронте. Холодный воздух клином подтекает под теплый воздух, вынуж­дая его подниматься по поверхности раздела. Вследствие трения

11

холодного воздуха о земную поверхность его нижние слои отста­ют от верхних. В результате этого поверхность холодного фронта в нижней части приобретает крутой наклон.

Выделяют два типа холодных фронтов: холодный фронт пер­вого рода и холодный фронт второго рода. Эти фронты различа­ются в основном по степени неустойчивости и по удельной влажности теплого воздуха. Кроме того, у них неодинаковая ско­рость смещения разных участков фронта.

Холодный фронт первого рода характеризуется упорядочен­ным подъемом теплого воздуха до больших высот над вторгаю­щимся клином холодного воздуха. При адиабатическом охлаждении поднимающегося теплого воздуха образуется облачная система, аналогичная системе облаков теплого фронта, но она прохо­дит над пунктом наблюдений в обратном порядке (см. рис. 3.2).

Особенность холодного фронта второго рода заключается в том, что восходящее скольжение теплого воздуха происходит в сравнительно узкой зоне вдоль фронтальной поверхности, носит бурный (как бы порциями) характер и распространяется только до высоты 2—3 км. Выше этого уровня происходит нисходящее дви­жение теплого воздуха. Поэтому облачная система холодного фронта второго рода представляет собой довольно узкую полосу. На линии фронта образуется система кучевообразных облаков (куче-во-дождевые — высококучевые — перисто-кучевые), растянутая в виде мощного вала на десятки, иногда на сотни километров. Вер­хняя часть кучево-дождевых облаков увлекается общим потоком теплого воздуха и вытягивается на большое расстояние перед фрон­том в виде облаков верхнего яруса. В среднем ярусе образуется слой облаков, которые под влиянием нисходящих потоков впереди об­лачной системы разрываются на отдельные чечевицеобразные об­лака (см. рис. 3.3).

Вследствие различной скорости смещения теплых и холодных фронтов последний, обладая большей скоростью, как правило, на-

стигает более медленно смещающийся теплый фронт и происходит их смыкание. Облачность такого сомкнутого фронта (фронта ок­клюзии) носит черты как теплого, так и холодного фронтов.

Внутримассовые облака в зависимости от характера процессов их образования, а также от соотношения их горизонтальной (L) и вертикальной (h) протяженности подразделяются на конвектив­ные (кучевообразные) — h/L > 1, облака турбулентности (облака устойчивой воздушной массы) — h/L « 1 и волнистообразные, ха­рактеризующиеся повторяющимся соотношением h/L и возникаю­щие в зоне волновых движений в атмосфере.

Конвективные облака в зависимости от облакообразующих факторов подразделяются на облака термической конвекции и облака динамической конвекции.

Облака термической конвекции. Летом в ясную погоду под действием солнечной радиации происходит интенсивный на­грев деятельной поверхности. Однако различные ее участки нагре­ваются неодинаково. Например, открытое поле и холмы нагреваются сильнее, чем лес, река и т. д. В результате над более нагретыми участками развиваются восходящие движения возду­ха, а над менее нагретыми — нисходящие. Так возникает терми­ческая конвекция. Постепенно отдельные восходящие струйки сливаются и образуют мощный восходящий поток, вовлекающий в себя все б олыпие и б олыние объемы воздуха. На периферии этого потока образуются многочисленные нисходящие движения.

Вследствие вертикальных движений, обусловленных кон­векцией, в атмосфере образуются конвективные (кучевообраз­ные) облака. Конкретная форма этих облаков зависит от интенсивности конвекции, которая определяется как степенью неоднородности поверхности, так и характером термической стратификации атмосферы, т. е. степенью ее неустойчивости. Скорость восходящих движений воздуха в конвективных облаках составляет от 0,1 до 20 м/с, а иногда и более. Практически все

12

внутримассовые конвективные облака, как и фронтальные, об­разуются и наблюдаются в областях пониженного давления — циклонах и ложбинах.

Если под влиянием прогрева подстилающей поверхности в нижних слоях атмосферы вертикальный градиент температуры увеличивается и создается неустойчивая стратификация, а в бо­лее высоких слоях, под уровнем конденсации, сохраняется ма­лый или даже отрицательный вертикальный градиент температуры, то развивающиеся конвективные движения не достигают уровня конденсации и облака не образуются. Если же уровень конвекции (высота, до которой развиваются конвектив­ные движения) находится выше уровня конденсации, то образу­ются конвективные облака, вертикальная мощность которых зависит от разности высот этих уровней. При этих условиях кон­вективное облако быстро растет в вертикальном и отчасти в гори­зонтальном направлениях.

Конвективные облака образуются не только весной и летом, когда возможно влияние термического фактора, но также осенью и зимой, когда термический фактор не действует. Над океаном практически равновероятно образование конвективных облаков во все сезоны года. Над сушей они образуются летом зна­чительно чаще, чем зимой.

Над морями кучевообразные облака могут образоваться как днем, так и ночью при вторжении холодного воздуха на сравни­тельно теплую поверхность воды. При этом облака возникают на обширных пространствах и сравнительно небольшом расстоянии друг от друга и имеют более или менее одинаковую структуру и вы­соту. Основания таких облаков над морем обычно располагаются ниже, чем над сушей, что объясняется меньшей высотой уровня конденсации над водными пространствами.

Облака динамической конвекции. На возникновение об­лаков в тропосфере существенное влияние оказывают динамические факторы: конвергенция потоков воздуха, вынужденный подъем воз-

духа при обтекании препятствия, перпендикулярного к потоку, а также вертикальные движения синоптического масштаба.

Например, если поток воздуха встречает на своем пути гор­ный хребет, то с наветренной стороны хребта процесс конденса­ции усиливается. В летнее время при неустойчивом состоянии атмосферы в горных районах в результате большого контраста температур воздуха над различно ориентированными склонами образуются кучевообразные облака, круто растущие вверх, но имеющие небольшие узкие основания. При тихой погоде они часто образуются над наиболее нагретыми обращенными к со­лнцу склонами.

Над вершинами горных хребтов в дневное время часто можно наблюдать облака, которые длительное время находятся на од­ном и том же месте. Их образование связано с долинными ветра­ми, создающими упорядоченные восходящие движения, приводящие к конденсации водяного пара.

Исследования последних лет показывают, что соотношение термических и динамических факторов в образовании конвектив­ных облаков не столь простое и очевидное, как это представлялось ранее. Например, в умеренных и субполярных широтах северного полушария основную роль в образовании конвективных облаков играет не термический, а динамический фактор — вертикальные движения синоптического масштаба, в результате которых увели­чивается вертикальный градиент температуры и выше уровня кон­денсации возникают конвективные движения.

Облака турбулентности (облака устойчивой воздушной массы). Причиной образования этих облаков является турбулен­тное перемешивание воздуха в нижних слоях атмосферы при на­личии в них инверсии. Турбулентное перемешивание приводит к понижению температуры подынверсионного слоя и одновремен­но к увеличению его влажности. В результате происходит кон­денсация водяного пара и как следствие образование слоистообразных облаков.

13

Верхняя граница этих облаков обычно совпадает с основани­ем инверсионного слоя. Благоприятные условия для образова­ния облаков турбулентности создаются под слоем слоисто-дождевых и кучево-дождевых облаков, где водяной пар, попа­дающий в воздух вследствие испарения выпадающих осадков, близок к состоянию насыщения. При этом образуются отдель­ные облака с разорванными краями, называемые разорванно-дождевыми.

Волнистообразные облака. В атмосфере часто возникают волновые движения с различными амплитудой и длиной волн. При определенных условиях под их влиянием образуются вол­нистообразные облака. Чаще всего волновые движения в атмос­фере связаны с устойчиво стратифицированными слоями, с инверсиями. Нижняя граница инверсионного слоя представля­ет собой поверхность раздела между нижележащим холодным и вышележащим более теплым воздухом. Если вдоль такой по­верхности раздела холодный воздух и теплый воздух движутся с разными скоростями, то на ней развиваются волны. Высота (амплитуда) и длина этих волн зависят от разностей плотности воздуха и скорости ветра под инверсионным слоем и в самом этом слое.

Воздух, поднимающийся в гребнях волн, адиабатически охлаждается, и в нем может начаться конденсация водяного пара. В промежутках между гребнями волн (в ложбинах) воз­дух опускается и содержащийся в нем пар удаляется от состоя­ния насыщения. Таким образом, в гребнях волн образуются облака (слоисто-кучевые, высококучевые, перисто-кучевые и перистые), а в ложбинах они рассеиваются и появляются про­светы голубого неба. Если облака существовали до образования слоя инверсии, то в результате волновых движений они уплот­няются в гребнях волн, а в ложбинах рассеиваются или стано­вятся менее плотными.

Волнистообразные облака не следует путать с конвективны­ми облаками типа циркуляционных ячеек Бенара, возникающи­ми при неустойчивой стратификации атмосферы. Ячейковая циркуляция в атмосфере, сопровождающаяся облакообразова-нием, развивается в слоях с градиентом температуры более 0,77 °С/100 м. Карты облачности, построенные по результатам наблюдений со спутников, показали, что ячейковая структура облаков чаще фиксируется над океанами, чем над сушей.

Согласно исследованиям последних лет, описанный процесс образования волнистообразных облаков имеет место далеко не всегда. Возможен и другой процесс — адвекция и трансформа­ция фронтальных облаков. Объясняется это тем, что поскольку скорость смещения циклонов и связанных с ними фронтов, как правило, меньше скорости воздушного (ведущего) потока, то об­разовавшиеся в циклоне или ложбине облака выносятся воздуш­ным потоком из циклона или ложбины в соседние антициклон или гребень.

Наблюдения за облачностью свидетельствуют, что принесен­ное в антициклон облако под влиянием нисходящих движений начинает медленно опускаться и рассеиваться. Однако посколь­ку вблизи верхней границы под влиянием нисходящих движе­ний образуется инверсионный слой или слой с уменьшенным градиентом температуры, задерживающий турбулентные пото­ки тепла и влаги, то облако под таким слоем может существовать длительное время, причем тем дольше, чем ниже температура этого слоя. Вследствие этого формирующиеся из принесенных слоисто-дождевых слоисто-кучевые и слоистые облака, а из вы­сокослоистых — высококучевые облака сохраняются длитель­ное время осенью и зимой и сравнительно быстро рассеиваются весной и летом.

Поскольку поля температуры и влажности, а также вертикаль­ной скорости движения воздуха неоднородны по горизонтали (ис-

14

пытывают турбулентные пульсации), то в первоначально сплошных слоисто-кучевых облаках могут появиться просветы.

Анализ данных наблюдений и синоптических материалов по­казал: за счет переноса облаков из циклона в антициклон и по­следующей их трансформации под влиянием нисходящих потоков воздуха в различных частях антициклона и формируют­ся слоисто-кучевые и слоистые облака.

При обтекании воздухом больших возвышенностей, перемежа­ющихся долинами, в атмосфере образуются вынужденные волно­вые движения. Если на некоторой высоте имеется слой инверсии, то над возвышенностями он приподнимается. При достаточной влажности под инверсионным слоем над возвышенностями образу­ются тонкие облака, имеющие вид чечевицы.